芯片的详细制造流程！

硅锭和晶圆

氧化

首先，在切割和抛光后的晶圆上，我们要先做一层氧化。氧化的目的，是在脆弱的晶圆表面，形成一层保护膜（氧化层）。氧化层可以防止晶圆受到化学杂质、漏电流和刻蚀等影响。

干法氧化，通过输入纯氧，使其在晶圆表面流动，从硅进行反应，形成二氧化硅层。湿法氧化，是同时使用氧气和高溶解度的水蒸气。

光刻（涂胶、前烘、曝光、后烘、显影）

所谓“光刻”，其实简单来说，就是像印刷机一样，把芯片电路图给“刻”在晶圆上。

光刻可以分为涂胶、曝光、显影三个主要步骤。我们逐一来看。

首先，是涂胶。这个胶，叫做光刻胶，有时候也叫光阻，是一种光敏材料。

光刻胶有两种类型：正胶和负胶。

正胶，被特定的光束照射（曝光）之后，分子结构会发生变化，变得容易溶解。负胶，恰好相反，被照射之后，会变得难以溶解。大部分情况，用正胶。

涂胶

掩模是一块带有不透明材料（如铬）图案层的玻璃或石英板。上面的图案，其实就是芯片的蓝图，也就是集成电路版图。

掩模

在光刻机中，晶圆和掩模都被精准固定。然后，光刻机的特殊光源（汞蒸气灯或准分子激光器）会发出光束（紫外线），光束会通过掩模版的镂空部分，以及多层透镜（将光进行汇聚），最终投射到晶圆的一小块面积上。

精细的电路图案，就这样“投影”在晶圆上。

以正性光刻胶为例，被照射位置的光刻胶，会变得容易溶解。未被照射的光刻胶，则毫发无损。

固定晶圆和掩模的机械位不停地移动，光束不停地照射。最终，在整个晶圆上，完成数十个至数百个芯片的电路“绘制”。

光刻机工作过程

硅片从光刻机出来后，还要经历一次加热烘焙的过程（120~180℃的环境下，烘焙20分钟），简称后烘。

后烘的目的，是让光刻胶中的光化学反应充分完成，弥补曝光强度不足的问题。同时，后烘还能减少光刻胶显影后，因为驻波效应产生的一圈圈纹路。

接下来，是显影。曝光之后，将晶圆浸泡在显影溶液中。显影溶液会去除被照射过的光刻胶（正胶），露出图案。

刻蚀

好了，继续聊芯片制造流程。现在，图案虽然是显现出来了，但我们只是去掉了一部分的光刻胶。我们真正要去掉的，是下面的氧化层（未被光刻胶保护的那部分）。

也就是说，我们还要继续往下“挖洞”。这时要采用的工艺，就是刻蚀。刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。

湿法刻蚀，是将晶圆片浸入到含有特定化学剂的液体溶液中，利用化学反应来溶解掉未被光刻胶保护的半导体结构（氧化膜）。

干法刻蚀，是使用等离子体或者离子束等来对晶圆片进行轰击，将未被保护的半导体结构去除。

刻蚀工艺中，有两个概念需要关注。一是各向同性（各向异性），二是选择比。

如上图所示，湿法刻蚀的时候，会朝各个方向进行刻蚀，这就叫“各向同性”。而干法刻蚀，只朝垂直方向进行刻蚀，叫“各向异性”。显然后者更好。

刻蚀的时候，既刻蚀了氧化层，也刻蚀了光刻胶。在同一刻蚀条件下，光刻胶的刻蚀速率与被刻蚀材料（氧化层）的刻蚀速率之比，就是选择比。显然，我们需要尽可能少刻蚀光刻胶，多刻蚀氧化层。

掺杂（离子注入）

好啦，“挖洞”的工艺，介绍完了。此时的晶圆表面，已经被刻出了各式各样的沟槽和图形。接下来，我们再来看看掺杂工艺。

之前介绍芯片基础知识（半导体芯片，到底是如何工作的？）的时候，小枣君提过，晶体管是芯片的基本组成单元。而每一个晶体管，都是基于PN结。如下图（MOSFET晶体管，NPN）所示，包括了P阱、N阱、沟道、栅极，等等。

前面的光刻和刻蚀，我们只是挖了洞。接下来，我们要基于这些洞，构造出P阱、N阱。纯硅本身是不导电的，我们需要让不导电的纯硅成为半导体，就必然需要向硅内掺入一些杂质（称为掺杂剂），改变它的电学特性。

例如，向硅材料内掺入磷、锑和砷，就可以得到N阱。掺入硼、铝、镓和铟，就可以得到P阱。

N是有自由电子的。P有很多空穴，也有少量的自由电子。通过在通道上加一个栅极，加一个电压，可以吸引P里面的电子，形成一个电子的通道（沟道）。在两个N加电压，NPN之间就形成了电流。

如下图所示：

图中，底下就是P阱衬底。两个洞是N阱。也就是说，做这个NPN晶体管时，在最开始氧化之前，就已经采用了离子注入，先把衬底做了硼元素（含少量磷元素）掺杂，变成了P阱衬底。（为了方便阅读，这个步骤我前面没讲。）现在，挖洞的部分，就可以做磷元素掺杂，变成N阱。大家看懂了没？掺杂的目的，就是创造PN结，创造晶体管。

掺杂，包括热扩散（Diffusion）和离子注入（Implant）两种工艺。因为热扩散工艺因其难以实现选择性扩散，所以，除特定需求之外，目前大部分都是使用离子注入工艺。

离子注入，就是用高能粒子束，将杂质直接射入到硅片中